大猩猩玻璃：智能手機的無名英雄

編譯 岳厚汝

詹姆斯·麥肯齊（James McKenzie）熱衷于那些不經意間對生活產生深遠影響的意外發現。例如：由 3M開發的非黏性膠水促進了便利貼的使用；威廉·倫琴 （Wilhelm R?ntgen） 發現的 X 射線是對診斷醫學技術的革新；美國雷神公司的物理學家珀西·勒巴隆·斯賓塞（Percy Lebaron Spencer）在偶然發現雷達裝置發出的微波可以融化口袋里的巧克力后研發了一種新型烤箱。

像這樣的偶然發現說明了為什么研發“目標性”產品也許并不總是一個好主意，因為這類投機或試錯實驗的優勢在于它們可以帶來難以預測的新發現。比如美國化學家史蒂芬妮·克沃萊克（Stephanie Kwolek）在1964年為杜邦公司工作時，在尋找一種用于輪胎的堅固新型輕質纖維時發明了凱夫拉纖維（一種合成纖維）。

但本文論述的重點放在紐約州北部的康寧玻璃工廠。早在 20世紀40 年代初，該公司就對玻璃這種所謂的透明材料很感興趣，他們發現如果長時間將玻璃暴露在太陽的熱量和光線下，它會變暗和變色。康寧公司的化學家羅伯特·道爾頓（Robert Dalton）將透明紅寶石玻璃樣品暴露在紫外線下，烘烤后發現玻璃出現不同深淺的顏色。另一位化學家唐納德·斯圖基（Donald Stookey）于 1940 年參與探索這種奇妙的新型感光玻璃在攝影領域的應用，最終催生了一種透明的鋁硅酸鹽玻璃，它會在包含微量的金、銀或銅的情況下變得感光。斯圖基發現甚至可以對其進行3D設計蝕刻，然后將這種玻璃以“照片”的形式出售，后來其也被用作電子封裝材料和彩色電視機的孔徑掩模。

真正的神來之筆發生在 1953 年，當時斯圖基想要將玻璃加熱到 600℃，然而熔爐出現了故障，錯誤地將玻璃加熱到 900℃。當他試圖用鉗子從熱烘箱中取出樣品時，樣品不慎滑落摔在了地板上，但神奇的是，玻璃并沒有破碎，而是發生了反彈。

于是斯圖基創造了一種包含分散在各處的不同形狀和大小微晶體的新型玻璃材料——玻璃陶瓷，隨后的工作促使康寧公司將這種材料開發成享譽盛名的康寧廚具系列，如燉鍋和烹飪鍋。它們具有很好的耐熱沖擊性能——即使直接將其從冰箱移到熱烤箱中也不會破裂。基于此，康寧鍋具躋身成為斯圖基價值數百萬美元的發明之一。

獨特的混合物

斯圖基帶領的團隊偶然發現的這種具有獨特特性的耐高溫微晶玻璃，其商品名是Pyroceram，不僅耐熱，而且非常堅硬。這種材料還被應用于軍事領域，例如用于導彈的超音速雷達頭錐。后來，在20世紀60年代，康寧公司開發了一種新的Pyroceram材料，這種材料是不反光的，但是對可見光是透明的。

該公司最初擔心它會影響康寧自 1915 年以來一直很有競爭力的 Pyrex 系列硼硅酸鹽玻璃器皿的銷售，故選擇不將這種新產品商業化。但到20世紀70年代，研究人員通過申請專利開發了一種琥珀色的Pyroceram版本，后又衍生出一系列新的廚具，并以“愿景”品牌命名。

與此同時，作為公司“肌肉計劃”的一部分，康寧一直在探索如何使玻璃更堅固。大多數玻璃可通過加熱到高溫后迅速冷卻來強化其硬度，因為回火過程中外部的冷卻速度會比內部快得多，這個過程被稱為鋼化。這樣的溫度梯度使玻璃內部處于張力狀態并壓縮外表面，這樣鑄造而成的玻璃更堅固，不太可能出現微觀裂縫和缺陷。

然而，隨著玻璃厚度的減少，想要在玻璃內部和表面之間建立顯著的冷卻速率差異變得更加困難。20世紀60 年代，研發人員發現了一種強化玻璃的化學方法，即用化學介質中的較大離子替代玻璃中的較小離子。在這種“離子交換”過程，玻璃表面被高度壓縮，因此不易損壞和引入可能使其破裂的應力。

這種強化玻璃以Chemcor命名銷售，直到20世紀90年代初，一直用于各種商業和工業應用，包括汽車擋風玻璃、飛機、藥瓶、監獄窗戶、安全眼鏡和電話亭。但一切都在2007 年1月發生了變化。

進入智能手機

跌落測試：康寧研發人員通過從2米高空使屏幕跌落到堅硬、粗糙的表面上來檢查屏幕硬度

那年蘋果公司的首席執行官史蒂夫·喬布斯 （Steve Jobs） 在舊金山舉行的“蘋果世界”大會上登臺亮相，并推出了一款革命性的新設備——第一代蘋果手機（iphone）。在那之前，智能手機一直被認為是笨重、丑陋的，配置的鍵盤也很復雜，而這款新推出的3.5英寸 iPhone是首次為客戶提供帶有內置攝像頭和網絡瀏覽功能的光滑觸摸屏設備。

但是，在喬布斯激動地向世界展示這款設備的第二天，他就抱怨一直放在口袋里的iPhone屏幕上出現了小劃痕，這是因為當天展示的iPhone原型機屏幕是塑料的，雖然其擁有高機械強度，但也很容易劃傷。幾年前，康寧曾向喬布斯展示了公司的玻璃技術，于是距iPhone上市僅剩五個月時，喬布斯堅持iPhone必須配備玻璃屏幕。

據蘋果公司首席運營官杰夫·威廉姆斯（Jeff Williams）回憶，他曾告訴喬布斯，他的要求是不可能完成的。他當時堅稱至少需要三到四年的時間才能開發出能夠滿足喬布斯的要求的玻璃。 “我說，所有現有的玻璃都已經測試過了，當手機掉落時屏幕百分百會破裂。他說，雖然不知道怎么做，但是六月iPhone發售時，屏幕會是玻璃的。”

兩天后，威廉姆斯接到康寧首席執行官溫德爾·威克斯（Wendell Weeks）的電話，他表示康寧開始重新研究用于智能手機的大猩猩玻璃（即Chemcor玻璃）解決蘋果問題的方法。在接下來被威廉姆斯稱之為“地獄”的幾個月里，兩家公司實現了Chemcor與iPhone產品的合體。

“當產品在2007年6月推出時，客戶手中的 iPhone不但具有玻璃的光滑觸感，并且十分耐用，”威廉姆斯回憶道，“康寧玻璃為 iPhone 定下了基調和市場主導地位。”第一代iPhone搭載的防刮玻璃一直是iPhone成功的關鍵因素。

唐納德·斯圖基（1915—2014）

康寧公司的化學家唐納德·斯圖基

如果沒有化學家斯圖基這一偶然發現，那么保護數十億智能手機和平板電腦（包括所有蘋果產品）的大猩猩玻璃可能永遠不會問世。1953 年斯圖基在康寧玻璃廠工作時，偶然發現了玻璃陶瓷，這衍生出一系列康寧鍋具、化學強化玻璃，并最終促進大猩猩玻璃的發展。在康寧公司工作的 47 年期間，斯圖基還開發了光敏玻璃和光致變色玻璃眼鏡等共計60 多項專利。1986 年，羅納德·里根（Ronald Reagan）總統授予斯圖基美國國家技術獎章。當斯圖基在1987年作為康寧公司的基礎化學研究總監退休時，他留下的寶貴財富包括斯圖基獎，該獎項每年頒發給公司的一位科學家，以表彰其“杰出的探索性成就”。

市場主導

在早期的智能手機中，大猩猩玻璃的缺點顯示在其厚度，大約1毫米，如果再厚一點，當時使用的電容式液晶顯示器就不能很好地工作。盡管這種玻璃很厚，但卻滿足了喬布斯所要求的堅硬、柔韌和耐用。如今，康寧推出了其第七代大猩猩玻璃，厚度僅為 0.3～ 0.5 毫米。當然，即使有很多競爭對手，如日本AGC Inc的升龍玻璃（Dragontrail）和德國Schott公司的Xensation，大猩猩玻璃仍在市場上占主導地位。

截至2017 年，大猩猩玻璃已被全球 40 家主要制造商應用于包括蘋果系列等1 800多種產品。根據專家市場調研公司的統計數據表明：2020 年全球智能手機玻璃市場價值約16.3億美元，其中大猩猩玻璃占據近 60 億臺設備的廣闊市場。然而，蘋果智能手機的所有玻璃都是由康寧公司提供的，隨著每一代設備的推出，該公司使用的玻璃越來越多。

當然，即使大猩猩玻璃已經非常堅韌了，智能手機掉落后屏幕也會遭到損壞，這就是為什么通常由類似的玻璃材料制成的屏幕保護膜也順帶具有積極的市場。根據新聞網站MarketWatch 2022年的一份報告，該市場份額預計將從2020年的23億美元增長到2026年的54億美元，畢竟，沒人愿意花1 000多英鎊買一部幾乎不能刮蹭的手機!

你能想象市場對每次放在口袋里都會被刮傷的iPhone會有何反應嗎？如果當初喬布斯推出了配備塑料屏幕的iPhone，無論這個想法有多么酷，這款設備也極有可能會被扼殺，因此手機屏幕必須是玻璃的。然而這一切都起源于1953年康寧玻璃廠的一次拙劣的實驗和一個損壞的烤箱，如果沒有這種難以預料的偶然性，我們可能永遠不會獲得今天的成功。

資料來源 Physics World